微卫星姿态稳定：磁控与角速率估计技术

"基于磁控及角速率估计的微卫星姿态稳定研究" 本文主要探讨了微卫星的姿态稳定控制问题，特别是采用偏置动量轮和磁力矩器的组合策略。微卫星由于尺寸小、重量轻，对姿态控制系统的效率和成本有着较高的要求。在这种背景下，研究者刘海颖、王惠南等人提出了一种创新的三轴姿态稳定控制方法。 首先，他们设计了一种采用偏置动量轮和磁力矩器的控制方案。偏置动量轮因其结构简单，能有效实现三轴稳定控制，而磁力矩器则因为其成本低、重量轻和高可靠性，被广泛用于微卫星姿态控制系统。过去，磁力矩器通常用于消除章动和动量轮去饱和，但在此研究中，它被直接用于三轴稳定控制，这扩展了其功能并提高了控制效率。 文章中还介绍了一种无陀螺测量的角速率估计算法，这是针对微卫星有限的重量和功率预算而提出的。由于陀螺仪的性能会随时间退化，价格高昂且配置复杂，研究者转而依赖星敏感器来获取姿态信息。星敏感器可以提供高精度的欧拉角或四元数数据，但无法直接输出角速度。因此，研究者通过星敏感器的数据，结合特定的滤波算法，估计出卫星的角速度，这是一种有效的替代方案。 在理论分析部分，研究者推导了在引力梯度和其他干扰下的偏置动量轮卫星运动方程，并利用磁场随轨道周期变化的特性，将时变系统转换为时不变系统。然后，他们应用常系数线性二次调节器（LQR）方法设计了最优反馈控制律。通过仿真结果，他们证明了直接使用磁力矩器控制比动量轮控制更优，这种方法允许使用常速动量轮，减少了动量阻尼和饱和卸载的问题。 此外，为了进一步提升姿态确定的准确性，他们构建了一个姿态确定系统，利用轨道模型提供参考欧拉角。在一个卡尔曼滤波器框架内，分别对俯仰通道和滚动-偏航通道采用两个线性模型，结合最优控制律提供的反馈，有效地估计和控制了姿态信息。 这篇首发论文提出了微卫星姿态控制的新思路，结合了偏置动量轮、磁力矩器和星敏感器的优势，发展了无陀螺的角速率估计技术，为微卫星的低成本、高效姿态稳定控制提供了理论支持和实践指导。这项研究对于微卫星技术的发展具有重要的理论价值和实际意义。